2
CsI photocathode: New results on photon ageing. Triloki* and B.K. Singh. High Energy Physics Laboratory, Physics Department, Banaras Hindu University, Varanasi-221005, INDIA. .  * email: [email protected] Introduction In the recent years considerable progress has been made in the development of gaseous electron multiplier (GEM) based photon detector consisting a solid photocathode [1]. Cesium iodide (CsI) is known to be the best photocathode as photon converter. This is because of their higher Quantum Efficiency (QE) in Ultra Violet (UV), X-ray UV and X-ray energy ranges and their relatively high stability against ambient air and gas environment [2]. Photon detectors, which is capable of single photon counting, can reach dimension of few square meter or more and can operated at high magnetic field [3,4]. Such detectors are employed in particle and astro-particle physics experiments for particle identification using Ring Imaging CHerencov (RICH) technique. It has been observed that the QE of CsI photocathode decreases once exposed to photon irradiation and/or by exposed to humid air [5] and hence it affects the detector performance. The aim of present work is to study the degradation of CsI photocathode by UV-photons irradiation. Experimental Details. The experimental setup includes a high vacuum spherical evaporation chamber. A high vacuum (of the order of 10 -7  Torr) inside the spherical chamber was created by the means of a Turbomolecular pump.  Before starting the deposition process, Cesium Iodide (CsI) powder, of 5 N purity (Aldrich Chem Co.), was melted and out gassed from a molybdenum boat under the shutter. After proper out gassing and melting, CsI photocathode was deposited onto a polished aluminum disc of 10 mm diameter. The CsI evaporation rate was 1-2 nm/sec for 500 nm thick film. After the film preparation, nitrogen gas was flushed into the chamber in order to avoid humidity and for restoring the atmospheric pressure. Immediately after the chamber opening, CsI photocathode were inserted into a vacuum desiccator and moved to the QE- measurement setup [6]. In QE-measurement setup, absolute QE measurement, before and after UV-irradiation were done. Fig: 1. Schematic diagram of CsI evaporation apparatus. Result and discussion.  In order to study the effect of UV photon irradiation, a 500 nm “as evaporated” CsI photocathode was illuminated with 160 nm monochromatic photons. Fig. 2 shows the variation of relative photocurrent as a function of Proceedings of the International Symposium on Nuclear Physics (2009) 652

CsI photocathode: New results on photon ageing.sympnp.org/proceedings/54/H7.pdf · photoemission properties of CsI photocathode, for hadron blind detector of PHENIX experiment. In

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

  • CsI photocathode: New results on photon ageing. 

    Triloki* and B.K. Singh.High Energy Physics Laboratory, Physics Department, Banaras Hindu University, Varanasi221005, INDIA.

    . * email: [email protected]

    IntroductionIn   the   recent   years   considerable   progress 

    has  been made   in   the  development  of  gaseous electron multiplier (GEM) based photon detector consisting   a   solid   photocathode   [1].   Cesium iodide   (CsI)   is   known   to   be   the   best photocathode   as   photon   converter.   This   is because of their higher Quantum Efficiency (QE) in   Ultra   Violet   (UV),   Xray   UV   and   Xray energy ranges and their relatively high stability against   ambient   air   and   gas   environment   [2]. Photon   detectors,   which   is   capable   of   single photon   counting,   can   reach   dimension   of   few square meter or more and can operated at high magnetic   field   [3,4].   Such   detectors   are employed  in  particle  and astroparticle  physics experiments for particle identification using Ring Imaging   CHerencov   (RICH)   technique.   It   has been observed that the QE of CsI photocathode decreases   once   exposed   to   photon   irradiation and/or by exposed to humid air [5] and hence it affects the detector performance. 

    The   aim of  present  work   is   to   study   the degradation of CsI photocathode by UVphotons irradiation.

    Experimental Details. The   experimental   setup   includes   a   high 

    vacuum spherical evaporation chamber. A high vacuum  (of   the   order   of   107  Torr)   inside   the spherical chamber was created by the means of a Turbomolecular   pump.     Before   starting   the deposition process, Cesium Iodide (CsI) powder, of  5 N purity (Aldrich Chem Co.),  was melted 

    and out gassed from a molybdenum boat under the shutter. After proper out gassing and melting, CsI photocathode was deposited onto a polished aluminum   disc   of   10   mm   diameter.   The   CsI evaporation   rate   was   12   nm/sec   for   500   nm thick film.  After   the  film preparation,  nitrogen gas   was   flushed   into   the   chamber   in   order   to avoid humidity and for restoring the atmospheric pressure.   Immediately   after   the   chamber opening, CsI photocathode were inserted into a vacuum   desiccator   and   moved   to   the   QEmeasurement   setup   [6].   In   QEmeasurement setup,   absolute   QE   measurement,   before   and after UVirradiation were done.

    Fig:   1.   Schematic   diagram  of   CsI   evaporation apparatus.

    Result and discussion.  In order to study the effect of UV photon 

    irradiation,   a   500   nm   “as   evaporated”   CsI photocathode   was   illuminated   with   160   nm monochromatic   photons.   Fig.   2   shows   the variation of relative photocurrent as a function of 

    Proceedings of the International Symposium on Nuclear Physics (2009) 652

  • accumulated   charge.   From   this   Fig,   one   can observe   that   after   intense   irradiation   of   UV photons, a twentypercent loss (TPL) in relative photocurrent was observed after ~5 µC/mm2  for 500 nm thick CsI photocathode.  At  the end of ageing   measurement,   a   90%   loss   in   relative photocurrent   was   observed   while   the accumulated charge was ~30 µC/mm2.

    Fig: 2. Relative Photocurrent as a function of the accumulated charge during UV irradiation, under vacuum, of a 500nm CsI photocathode.

    Fig: 3. Quantum Efficiency (QE) as a function of the wavelength of an “asdeposited” and   “UVirradiated” CsI photocathode.

    In Fig. 3, the Quantum Efficiency (QE) of   CsI photocathode   before   and   after   ageing   test   is displayed,   which   shows   decrease   in   QE   with increasing wavelength. It is observed that  ageing induced by monochromatic UV photons leads to a decrease in QE at all wavelengths.

    Conclusion.We have started new R & D work on the 

    photoemission   properties   of   CsI   photocathode, for   hadron   blind   detector   of   PHENIX experiment.   In   this   work   we   have   presented degradation   of   CsI   photocathode   by   UV irradiation. We also presented result on   QE of “asdeposited”   and   “UVirradiated”   CsI photocathode   for  various  wavelengths.  Surface characterization   of   “asdeposited”   and   “aged” CsI photocathode will be done in future in order to   understand   the     ageing   mechanism   due   to photonirradiation. 

    Acknowledgment. The   research  work  partially   supported  by 

    Department  of  Science  and Technology   (DST) and Council of Scientific and Industrial research (CSIR), govt. of India. 

    References

    [1] A. Breskin, et al., Nucl. Instr. Meth. A 371 (1996) 116 and references therein.

    [2] A. Breskin, et al., Nucl. Instr. Meth. A 387 (1997) 1 and references therein. 

    [3] F. Piuz, Nucl. Instr. Meth. A 502 (2003) 76.[4] E. Nappi, et al., Nucl. Instr. Meth. A 471 

    (2001) 18.[5] B. K. Singh, et al., Nucl. Instr. Meth. A 581 

    (2008) 651.[6] A. Valentini, et al., Nucl. Instr. Meth. A 482 

    (2002) 238.

    Proceedings of the International Symposium on Nuclear Physics (2009) 653

    High Energy Physics Laboratory, Physics Department, Banaras Hindu University, Varanasi-221005, INDIA.